Sistemas Embarcados no controle de máquinas

máquinas

Introdução

 

O objetivo deste artigo é apresentar ao fabricante de máquinas os principais controladores embarcados e suas principais características, bem como demonstrar as possibilidades em se criar um controlador customizado.

 

Os processos industriais modernos estão cada vez mais exigentes pois, à medida que o mercado exige mais qualidade e menores custos de produção, novas tecnologias tendem a ser desenvolvidas ou aplicadas nos equipamentos que realizam o controle das variáveis nas indústrias. Velocidade de resposta, confiabilidade, facilidade de programação e conectividade são exemplos de características evidentes de controladores industriais modernos e robustos.

 

Para atender o mercado de forma eficiente, os fabricantes de máquinas e equipamentos devem selecionar com muito critério os controladores e instrumentos que farão parte do seu sistema. Os avanços na indústria eletrônica têm proporcionado o desenvolvimento de sistemas de controle cada vez mais avançados, permitindo a utilização de técnicas avançadas de software e hardware que em até alguns anos atrás não puderam ser utilizadas, ou eram utilizadas de forma parcial ou limitada.

 

Sistemas com inteligência artificial rodando algoritmos com lógica Fuzzy ou Redes Neurais, controladores PID com funções de auto-sintonia, controle em tempo real, visão de máquina, reconhecimento de padrões, controle de eixos de alta velocidade, funções matemáticas avançadas como FFT (Transformada Rápida de Fourier), Filtros Digitais IIR e FIR, suporte a linguagens de programação avançadas como C++, C#, SQL e Java, servidores WEB avançados, todas essas tecnologias puderam ser agregadas aos controladores modernos e trouxeram ao mundo das máquinas e equipamentos infinitas possibilidades.

 

Processadores 

 

Processadores que aliam alto desempenho e baixo consumo são um dos principais responsáveis por esses avanços. Atualmente os processadores ARM Cortex, Power PC e o tradicional padrão x86 têm sido muito utilizados, e também podemos encontrar muitas aplicações com FPGA de alto desempenho com processadores embarcados como o NIOS II da Altera.

 

Na figura 1 podemos conferir a evolução dos principais processadores da ARM.

 

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Figura 1: Evolução dos processadores ARM [1]

 

Caso você queira desenvolver seu próprio controlador embarcado, no mercado existe uma infinidade de placas de teste e avaliação de processadores que podem ser utilizados para estudos, e posteriormente para desenvolvimento de produtos microprocessados. Um dos exemplos de grande sucesso é a placa Beaglebone Black, que, entre muitos periféricos, possui um processador ARM Cortex-A8 de 1GHZ, 512MB de memória RAM e uma unidade de processamento programável de tempo real que possibilita desenvolver, separadamente do core principal, aplicações com protocolos de tempo real como, por exemplo, EtherCAT, Profinet, EtherNet e Profibus. A placa ainda pode rodar várias distribuições Linux, incluindo o Android.

 

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Figura 2: BeagleBone Black [2]

 

Caso a preferência seja por processadores padrão x86 a intel possui uma placa muito interessante chamada Intel Galileo que possui um processador Intel Quark SoC X1000 de 32bits que pode operar a 400MHZ, seu hardware é compatível com placas projetadas para o Arduino Uno R3.

 

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Figura 3: Intel Galileo [3]

 

Os microcontroladores tem sua participação nos acionamentos, módulos de I/O e em pequenas CPU’s de equipamentos, além de módulos de comunicação. No mercado há uma infinidade de fabricantes e modelos de microcontroladores que vão de 8 a 32 bits.

 

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Figura 4: Diagrama de blocos da Intel Galileo

 

Na figura 5 podemos conferir a Stellaris LaunchPad, uma placa de avaliação de baixo custo que utiliza um microcontrolador Cortex M4.

 

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 Figura 5: TI Launchpad

 

Tipos e Características de Controladores

 

Nos sistemas de controle modernos podemos encontrar uma ampla gama de equipamentos controladores, cada qual com suas características, que os tornam adequados as suas aplicações para o qual foram projetados, podendo ser específicos e dedicados a uma única aplicação ou flexíveis as diversas utilizações.

 

Vejamos os principais controladores embarcados utilizados no controle de máquinas e equipamentos.

  • Controlador Single-Loop;
  • Controlador Multi-Loop;
  • CLP/PLC.(Controlador Lógico Programável);
  • Controle baseado em PC ou Soft PLC;
  • PAC.(Controlador Programável de Automação);
  • Placa de circuito dedicado;
  • Instrumentos Inteligentes.

 

No controle de máquinas e equipamentos existe a necessidade de se controlar diversas variáveis, entre as quais podemos citar:

  • Rotação;
  • Vibração;
  • Temperatura;
  • Pressão;
  • Vazão;
  • Nível;
  • Posição;
  • Entre outras.

 

Os controladores devem ser capazes de receber os sinais desses sensores, para isso o mercado oferece uma série de módulos e conversores compatíveis com os principais sinais da indústria como 4-20ma, 0-10V e diversas redes de comunicação.

 

Controlador Single-Loop

 

O Controlador Single Loop tem uma fatia expressiva nas aplicações de controle, pois se recomenda sua aplicação em sistemas de apenas uma malha de controle (Single Loop, um canal de entrada e um canal de saída), sua maior aplicação encontra-se no controle de temperatura em fornos e pequenas caldeiras de vapor, mas podem ser utilizados para controle de diversas variáveis como pressão, vazão e nível.

 

Alguns modelos contam ainda com controle PID (Proporcional Integral e Derivativo), auto sintonia e comunicação Serial. Podem possuir as seguintes características.

  • Entrada universal:
  1. Sensores de temperatura J, K, T, N, R, S, Pt100.
  2. Sinais 4-20 mA, 0-50 mV, 0-5 Vcc, 0-10 Vcc.
  • Saída de controle:
  1. Relé 10 A / 250 Vca.
  2. Saída programável linear 4-20 mA.
  3. Pulso lógico para relés de estado sólido.

 

Sendo um dispositivo simples e de baixo custo, sua operação se baseia na parametrização do valor desejado (Set-Point) de temperatura, na seleção do tipo de sinal de entrada e saída e em alguns casos no ajuste de seu temporizador interno e no limite de alarme. Ainda pode ser encontrado no mercado controladores Dual-Loop que podem ser utilizados para criar malhas de controle em cascata ou razão.

 

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Figura 6: Controlador Single-Loop. [4]

 

Controlador Multi-Loop

 

Os controladores Multi-Loop como se sugere, são projetados para controlar várias malhas de controle, ou seja possuem várias entradas e saídas digitais e analógicas. São utilizados em sistemas industriais para controlar em média de 4 a 8 malhas independentes. Malhas de controle relativamente avançadas podem ser desenvolvidas, como por exemplo malhas de controle multi-variável como controle em cascata.

 

Sua programação se assemelha a de outros dispositivos programáveis exigindo um PC com software específico e cabo de programação, alguns modelos mais simples podem ser programados diretamente pelo display. Geralmente em sua parte frontal é possível observar dados das variáveis envolvidas no controle, alterar dados como o Set-Point e alternar entre as malhas e modos de controle Manual e Automático. O controlador Multi-Loop possui custo médio abaixo da maioria dos CLP´s de médio porte e é recomendado em sistemas de instrumentação e controle para um número limitado de malhas.

 

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Figura 7: Controlador Multi-Loop [5]

 

Características dos controladores Multi-Loop:

  • Tamanho pequeno;
  • Funções de controle;
  • Auto-sintonia;
  • A configuração pode ser feita através de teclados acoplados ao instrumento ou através de programadores separados;
  • Capacidade de controle automático/manual;
  • Ponto de ajuste múltiplo;
  • Memória;
  • Comunicação com diversas redes industriais.

 

Controlador Lógico Programável (CLP)

 

Certamente o CLP representa o controlador mais famoso e utilizado na indústria da automação, sua utilização na automação de máquinas é cada vez mais notória. Vários fabricantes de CLP disponibilizam módulos e cartões para leitura de diversas variáveis como, módulos de contagem rápida que podem ser utilizados para leitura de sensores de rotação indutivos e encoders, ou módulos para leitura de acelerômetros para medição de vibração da máquina.

 

O sistema operacional do CLP deve ser robusto para evitar falhas nos processos a serem controlados. Entre os sistemas operacionais utilizados podemos encontrar o RTOS Vxworks, ThreadX, FreeRTOS, MicroC/OS-II e inclusive versões do Linux.

 

Podemos classificar os CLP’s nos seguintes segmentos:

  • Compacto;
  • Modular;
  • Soft-PLC.

 

CLP compacto

 

O CLP compacto é recomendado em aplicações onde se encontram características como:

  • Limitado número de entradas e saídas;
  • Limitada quantidade de memória;
  • Baixo poder de processamento;
  • Pouca comunicação externa;
  • Baixo custo;
  • Limites de expansão.

 

Fisicamente o CLP compacto possui seus principais módulos em um único invólucro, ou seja temos Fonte+CPU+I/O Digital+Rede em um único pacote, ainda é possível adicionar módulos de expansão ao CLP compacto.

 

 

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Figura 8: CLP Compacto LOGO! [5]

 

Os CLP’s compactos são muito utilizados em máquinas de pequeno porte como elevadores, unidades hidráulicas e até mesmo para automação residencial para realizar funções de temporização, contagem, comparação e diversas outras funções.

 

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Figura 9: CLP Compacto com módulos de expansão S7-1200 [5]

 

A CPU de um CLP compacto na maioria dos casos é composta por um microcontrolador, fato que diminui o custo e o tamanho final do CLP mas que limita seu desempenho geral a algumas dezenas de I/O’s e menos linhas de programação. 

 

CLP Modular

 

O CLP modular é o grande responsável pelo atual nível de automação das grandes indústrias, como seu próprio nome sugere, sua composição é formada por vários módulos interligados por uma base ou conector, seu poder de processamento e controle pode chegar a milhares de pontos.

 

As principais partes de um CLP modular são:

  • Rack, Bastidor ou Backplane;
  • Fonte de alimentação;
  • CPU;
  • Módulos de I/O como entradas e saídas digitais e analógicas.

 

Cada fabricante apresenta sua própria configuração, mas de forma geral os CLP’s modulares tendem a seguir a mesma forma de composição e utilização.

 

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Figura 10: CLP Modular Siemens S7-300 [5]

 

Soft CLP

 

O soft CLP tem sido uma nova tendência no mercado mundial, diversas empresas estão apostando nessa tecnologia. Este arquitetura de controle consiste na utilização de um PC industrial como CPU e redes de campos interligando I/O’s remotas.

 

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Figura 11: PC Industrial [5]

 

Essa configuração tem sido muito eficaz em sistemas que exigem grande capacidade de processamento e de comunicação, como em sistemas de controle de movimento, visão de máquina, sistemas em tempo real (real-time) e loops de controle avançado.

 

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Figura 12: Arquitetura de um Soft-PLC

 

PAC Controlador Programável de Automação

 

O PAC representa uma evolução natural do CLP, pois reunindo características do PC industrial e do CLP, o PAC agrega valores que permitem deslumbrar um novo patamar nos sistemas de controle.

 

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Figura 13: O PAC reuni funções do CLP Modular com características do PC Industrial.

 

Com maior velocidade de processamento o PAC se torna um controlador multifuncional na indústria, realizando operações tanto de controle de processos como de controle de movimento por exemplo, sua enorme capacidade de comunicação e armazenamento de dados representa uma de suas vantagens, enfim podemos destacar as principais características do PAC como:

  • Controlador multifuncional;
  • Possui software de desenvolvimento único e multidisciplinar;
  • Arquitetura aberta e modular;
  • Maior liberdade de programação;
  • Avançadas opções de comunicação;
  • Execução de software determinístico;
  • Alto poder de processamento;
  • Alto suporte a variáveis analógicas e operações com ponto flutuante; 
  • Capacidade de processamento multitarefa;
  • Armazenamento do histórico de dados do processo.

 

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Figura 14: Controlador Siemens S7-400 [5]

 

Instrumentos inteligente

 

Atualmente com o advento das redes digitais existe a opção de adicionar funções de controle nos instrumentos, redes Foundation Fieldbus e Profibus PA podem realizar o controle de uma malha através de seus próprios instrumentos, inclusive com características de segurança intrínseca, tornando aptos a operar em áreas classificadas e com operação determinística. O padrão de meio físico de ambas as redes é o IEC61158-2 que oferece velocidade de até 31.25Kbps, distâncias de até 1900m, Loops PID, malhas de controle em cascata, relação, split-range, feedforward e outras podem ser implementadas sem dificuldade através da rede digital.

 

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Figura 15: Rede Profibus PA [6]

 

Placas de circuito dedicado

 

Em muitos casos, desenvolver um controlador customizado é a melhor opção para o fabricante de máquina, seja por motivos de custo ou mesmo por melhor viabilidade técnica, a indústria nacional tem a capacidade de prestar suporte a projetos desde a parte de desenvolvimento e prototipagem até a fabricação em massa de placas de circuito. Funções muito específicas como controle e medição de rotação e medição de vibração podem ser melhor atendidas por placas de circuitos dedicadas a essa função, e posteriormente podem ser enviadas a outros controladores como o CLP por exemplo.

 

A Texas Instruments apresenta em seu site um interessante fluxograma com todos os principais blocos de um controlador industrial. Como citado anteriormente o processador embarcado pode ser um microprocessador, um microcontrolador ou um FPGA.

 

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Figura 16: Diagrama de blocos de um controlador industrial [7]

 

Desenvolvendo um controlador

 

O projeto de um controlador é uma tarefa que exige diversas etapas, entre elas podemos citar:

  1. Estudo preliminar;
  2. Avaliação de custos;
  3. Seleção da tecnologia utilizada;
  4. Seleção das ferramentas de desenvolvimento e debug;
  5. Desenvolvimento do hardware e do firmware;
  6. Fase de testes;
  7. Lançamento do produto.

 

Ferramentas de desenvolvimento modernas podem automatizar diversas fases do projeto, o software Proteus por exemplo permite o desenho do circuito, a simulação do hardware e do firmware, e a criação da placa de circuito com a opção de roteamento automático.

 

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Figura 17: Proteus simulação e desenvolvimento de placas de circuito

 

Para o desenvolvimento do firmware existem diversas ferramentas no mercado, desde ferramentas gratuitas como o compilador GCC até ferramentas avançadas de compilação e debug como o IAR Embedded Workbench.

 

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Figura 18: Ferramenta de desenvolvimento em C IAR Embedded Workbench [8]

 

Linux embarcado em controladores Indústriais

 

Sem dúvida o sistema operacional do pinguim chegou para ficar, além das famosas distribuições Linux como Ubuntu, Fedora e Debian também podemos conferir sua presença nos smartphones e tablets que utilizam o S.O. Android, pois o mesmo roda um kernel Linux.

 

Atualmente também podemos conferir o crescimento do Linux em aplicações industriais, apesar de ainda estar com uma presença tímida, o pinguim representa um potencial que pode trazer grandes benefícios para a indústria, pois seu código aberto permite criar sistemas customizados e otimizados para aplicações de controle e medição. Agora o próprio Linux pode ser o sistema operacional que gerencia todo o hardware do equipamento. Um exemplo de controlador programável que utiliza o Linux em tempo real é o NI CompactRIO-9068 da National Instruments.  Este Controlador Programável de Automação(PAC) é um controlador dual core de 667 MHZ e que utiliza uma FPGA Artix-7.

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Figura 19: PAC com Linux embarcado National Instruments [9]

 

  • Processador ARM Cortex-A9 dual-core de 667 MHz, 1 GB de armazenamento não volátil e memória DDR3 de 512 MB;
  • Chassi FPGA Artix-7 com 8 slots para aplicações customizadas de temporização, controle e processamento de E/S;
  • Sistema operacional NI Linux Real-Time;
  • Processador integrado programável com LabVIEW Real-Time ou C/C++, e o FPGA com o LabVIEW FPGA;
  • Conectividade com 2 portas Gigabit Ethernet, 1 porta USB Hi-Speed e 3 portas seriais.

 

Conclusão

 

Os controladores modernos criaram uma nova tendência em aplicações de controle e medição, novas funções de controle e comunicação permitem executar funções que não eram possíveis antes. Os fabricante de máquinas e equipamentos tem a sua disposição diversas opções de controladores embarcados disponíveis no mercado, cada qual com características distintas e custos variados, a escolha correta depende exclusivamente da aplicação e dos limites orçamentários do projeto.

 

O desenvolvimento de um controlador customizado deve ser levado em consideração caso a máquina tenha particularidades que não são cobertas pelos controladores apresentados ou se o produto final terá uma produção em alta escala que justifique o projeto de um controlador dedicado.

 

Para conhecer mais sobre sistemas embarcados, microprocessadores e Linux embarcado, continue acessando o Embarcados [10].

 

Referências

 

[1] http://www.arm.com

[2] http://www.beagleboard.org

[3] http://www.intel.com

[4] http://www.presys.com.br

[5] http://www.siemens.com.br

[6] http://www.smar.com.br

[7] http://www.ti.com/solution/programmable-logic-controller-diagram

[8] http://www.iar.com

[9] http://www.nationalinstruments.com.br

[10] https://www.embarcados.com.br

 

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Carlos Márcio Freitas
Engenheiro eletricista trabalha a 13 anos com sistemas microprocessados para automação industrial e eletrônica automotiva (com certificação ASE), atualmente trabalha com automação na industria de óleo e gás.

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Pedro Neto
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Pedro Neto

Muito bom, parabéns! Você consegue levantar ou sabe nos informar qual o RTOS usado em inversores de frequência, Servos, reguladores, etc (tudo mais ou menos da mesma família) rs? abçs

Felipe Ribas
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Felipe Ribas

Belo Texto, eu mesmo já estou começando dar meu primeiros passos em projetos microcontrolados para a industria naval. Como é a área que atuo, vejo bastante carência de sistemas nacionais na área de controle e automação de maquinas e sistemas .